發布日期：2022-10-09 點擊率：140
MOSFET/IGBT的開關損耗測驗是電源調試中非常關鍵的環節，但很多工程師對開關損耗的測量還停留在人工計算的感性認知上，PFC MOSFET的開關損耗更是只能依據口口相傳的經驗反復摸索，那么如何用示波器測試MOS管功率損耗？
一般來說，開關管工作的功率損耗原理圖如圖 1所示，主要的能量損耗體現在“導通過程”和“關閉過程”，小部分能量體現在“導通狀態”，而關閉狀態的損耗很小幾乎為0，可以忽視不計。
開關波形的測定
Figure 1 所示的是開關電路和波形監視探頭。MOSFET 的漏- 源級間電圧使用差動電圧探頭來測定，漏極電流則使用電流探 頭來測定。
Figure 2 所示的是各部位波形和功率損耗(陰影部分)。ton表示 Turn on 時間，toff 表示 Turn off 時間，這個區間中 VDS 和 ID 重 合部分發生開關損耗。由于電路中的感性負載，Turn on 時 ID 會先開始變化，待電流變化結束后 VDS 才開始變化。Turn off 時與之相反，VDS 先開始變化，電圧變化結束后 ID才開始變化。 接下來 TON 是指 MOSFET 的 導通區間，ID 和 MOSFET 的導 通電阻會引起導通損耗的產生。 最新的示波器有可以將陰影部分自動演算并顯示功率損耗的功 能，如果是沒有該功能的型號，就需要根據測定波形來計算。
接下來說明測定時的注意點。首先是示波器的采樣數。采樣數 較少的話，波形的詳細部分會有所遺漏，于是導致測定結果有誤差。需要將采樣點表示出來來確認是否能正確追蹤波形。第 二個注意點，因為電圧探頭和電流探頭間的延遲時間特性不同， 測定波形中包含該延遲差所導致的誤差。如不予以修正，電壓和電流間的時間軸方向會錯位、Figure 2 的陰影部分面積就不 正確了，會得出大于或小于實際的損耗值結果。為了去除這個 測定系統的延遲差，需要進行糾偏修正 (de-skew)。方法請參考測量儀器操作手冊或測定器廠商的技術資料。
波形的近似計算
這里對測定波形用線性近似法來對各個時間范圍進行分割從而 計算功率損耗。首先是計算 Turn on 和 Turn off 時間所消耗的 功率損耗 Pton,、Ptoff。功率損耗使用 Table 1 的近似算式來計 算。根據波形的形狀不同計算式也各自不同，因此需選擇與測定波形相近的算式。
Figure 3 所示的是波形的一個例子，Turn on 時波形分為 2 份，前半部份(ton1)使用 Table 1 的 Case2，其條件使用 ID1?0 的式子。后半部分(ton2)使用 Case3、VDS2?0 的式子。Figure 3 中VDS2(on)是 MOSFET 的導通電阻和 ID 引起的電圧差，若與 VDS 的 High 電圧相比很小的話可視為 0。作為結果，Turn on 時的功率損耗可用下式來近似計算：
同樣，也將 Turn off 時的波形分為 2 份，前半部分(toff1)使用 Case1、VDS1?0 的式子。后半部分(toff2)使用 Case8、ID2?0 的 式子。Figure 3 的 VDS1(off)也是前述相同的理由產生的電圧，若 與 VDS 的 High 電圧相比很小的話可視為 0。作為結果，Turn off 時的功率損耗可用下式來近似計算：
接下來計算的是導通時消耗的功率損耗。Figure 4 所示的 是計 算導通損耗的波形的一個例子。由于 TON 區間內 MOSFET 是 導通狀態，VDS 是 MOSFET 導通電阻與 ID的乘積。導通電阻的 值請參考 datasheet。選擇 Table 2 的波形的形狀相近的算式， 用近似算式來計算功率損耗。 這個例子使用的是 Table 2 的 Case1。導通損耗可根據下式來 計算：
接下來是 MOSFET 在 OFF 時的功率損耗。Figure 4 所示的是 TOFF 的區間，MOSFET 在 OFF 時 ID 十分小因此功率損耗視為 0。 MOSFET 的功率損耗以上計算出的功率損耗的總和。
根據實測開關波形(Figure 5)計算功率損耗。 Turn on時、導通時和Turn off 時的波形放大分別如 Figure 6、 7、8 所示：
Figure 5. 功率損耗的計算所使用的開關波形 羅姆制造 SiC MOSFET SCT3040KR 開關頻率 200kHz
Figure 6 是 Turn on 時的波形放大。由于波形中途斜率發生變 化，以大致相同的斜率來分割區間，由于波形較為復雜，劃分 方式會比較主觀。讀出各個區間的開始電圧和電流、結束電圧 和電流、時間，數值代入 Table 1 的式(A)中求得損耗功率。 Turn on 時的計算例如下面所示，分割為編號 t1~t5 的各個區間。
Figure 7 是導通時的波形放大。這里是代入到 Table 1 的式(E) 中計算的損耗功率。MOSFET 的導通電阻使用 datasheet 中的最大值。
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